摘要：我國(guó)“十四五”規(guī)劃明確提出持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量，深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)。環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境管理的基礎(chǔ)也是評(píng)價(jià)改善成效的依據(jù)。近年來，隨著信息技術(shù)，電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷豐富升級(jí)。其擁有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、可快速展開、實(shí)時(shí)性高、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、較強(qiáng)的容錯(cuò)性等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。主要對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署、能耗、安全性、通信及在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方面進(jìn)行總結(jié)，分析當(dāng)下的發(fā)展進(jìn)程，并對(duì)未來的研究方向提出展望。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；節(jié)點(diǎn)定位；節(jié)點(diǎn)部署；網(wǎng)絡(luò)通訊；安全性

隨著工業(yè)化不斷發(fā)展，環(huán)境問題日益顯現(xiàn)，環(huán)境監(jiān)測(cè)成為環(huán)境治理的關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方式一般采用人工巡視檢查，存在成本高、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。隨著信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電子技術(shù)的發(fā)展，小巧輕便、部署自由的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）應(yīng)運(yùn)而生，它擺脫了施工布線的制約，降低了人力、系統(tǒng)維護(hù)等成本。由于環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c質(zhì)量有著較高的要求，一旦數(shù)據(jù)大量失真會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重且惡劣的社會(huì)影響，而通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和連續(xù)性高，比人工監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)更有保障，可排除監(jiān)測(cè)人員水平參差不齊、敬業(yè)負(fù)責(zé)程度不一等因素的干擾［1］。因此，如何將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域成了研究熱點(diǎn)。

本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作原理出發(fā)，分別從節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)層面進(jìn)行分析。其中節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，采取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綖闊o線通信。因此，文章針對(duì)傳感器、節(jié)點(diǎn)部署、無線網(wǎng)絡(luò)等主要關(guān)鍵技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了總結(jié)。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，是一種自組織分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)被部署在目標(biāo)區(qū)域中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過其內(nèi)部的傳感器對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集，比如光照度，二氧化碳濃度等。再利用無線通訊技術(shù)通過數(shù)據(jù)傳輸單元將信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選以及融合后可通過廣域網(wǎng)或衛(wèi)星與用戶直接通信，用戶在接收到數(shù)據(jù)后就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。

傳感器節(jié)點(diǎn)大多輕便小巧，這也導(dǎo)致其性能的局限性，包括其維持工作所需要的能量、節(jié)點(diǎn)間的通信能力、計(jì)算與存儲(chǔ)能力都比較有限。大量科研人員在突破節(jié)點(diǎn)本身的局限以及在局限內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)更高效能方面進(jìn)行研究，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速。近年來，隨著研究的深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面發(fā)展迅速。

目前最為廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，是以無線傳感器節(jié)點(diǎn)為基本單位，通過無線通信進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2傳感器

傳感器是用于獲取環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)指標(biāo)，將從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到的信息轉(zhuǎn)變成相應(yīng)數(shù)值的元件［2］。在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，面向不同的環(huán)境，傳感器的選用有所不同，特殊環(huán)境下，亦有針對(duì)性的傳感器選擇。例如對(duì)空氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)常用的傳感器包括溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、PM2.5濃度傳感器等，對(duì)水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)使用的溶解氧、pH、電導(dǎo)率和濁度的傳感器等。近些年，生物傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，由于其具有更好的選擇性、更短的響應(yīng)時(shí)間、更高的穩(wěn)定性等特點(diǎn)而被廣泛使用。比如BOD微生物傳感器已經(jīng)成為監(jiān)測(cè)水體污染時(shí)被選擇的熱門傳感器［3］，在此基礎(chǔ)上研究人員將其進(jìn)行光學(xué)處理，更加顯著地提升了效能。對(duì)工業(yè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，例如對(duì)橋梁等架構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，常常使用測(cè)縫針、磁通量傳感器、軟彈性電容式傳感器等。對(duì)煤礦井下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，使用甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、風(fēng)壓傳感器等。

隨著研究的深入，傳感器更加具有適應(yīng)性和耐用性，尤其在惡劣條件下仍然能夠保持良好的運(yùn)轉(zhuǎn)。這為研究人員能夠?qū)Ω鄰?fù)雜惡劣的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生大量環(huán)境信息，但如果節(jié)點(diǎn)位置信息未知，得到的數(shù)據(jù)則無意義，只有清楚自身位置信息，才能通過接收到的信息了解外部環(huán)境［4］。

此外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，通過定位就可以知道故障節(jié)點(diǎn)所在位置，這樣才能夠第一時(shí)間采取措施應(yīng)對(duì)。同時(shí)節(jié)點(diǎn)位置信息亦是WSN很多關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)，包括設(shè)計(jì)基于節(jié)點(diǎn)位置信息的路由算法，為減少系統(tǒng)能耗合理安排不同位置節(jié)點(diǎn)的睡眠工作時(shí)間等，因此節(jié)點(diǎn)定位至關(guān)重要［5］，提高算法定位精度是我們未來研究的重點(diǎn)。

3無線網(wǎng)絡(luò)

環(huán)境監(jiān)測(cè)過程通信網(wǎng)絡(luò)性能非常重要。按通信距離劃分，現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，局域網(wǎng)技術(shù)主要以Bluetooth、Wifi、ZigBee、Uwb、Irda、NFC為代表［6］，表1分別對(duì)七類無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)性能比較：

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)配合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在森林［7］、水質(zhì)［8］以及氣象監(jiān)測(cè)［9］等人工難以抵達(dá)的偏遠(yuǎn)區(qū)域上。戴楊等人提出了基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的森林環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)并實(shí)現(xiàn)，針對(duì)林區(qū)特點(diǎn)綜合考慮了系統(tǒng)的成本、功耗、可靠性以及擴(kuò)展性等，目前已在穩(wěn)定運(yùn)行一年［10］。

近幾年，隨著5G的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信也有望擁有更快的速率、更低的能耗以及更高的可靠性。

4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)關(guān)注自然環(huán)境和工業(yè)環(huán)境兩方面，自然環(huán)境包括森林、大氣、水環(huán)境等。工業(yè)環(huán)境包括工廠、橋梁建筑、煤礦開采等，對(duì)工業(yè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)主要是國(guó)家對(duì)于工廠排放的廢水廢氣的監(jiān)測(cè)，保證工程質(zhì)量以及施工人員的安全。近些年許多工廠的排放并不達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重危害環(huán)境，因此國(guó)家及時(shí)采取措施，關(guān)閉小工廠，合并大工廠，并對(duì)排放嚴(yán)格管控。

4.1自然環(huán)境

自然災(zāi)害一直是危害人類社會(huì)的重要因素，每年因地震、洪水等自然災(zāi)害死亡的人不計(jì)其數(shù)，并且會(huì)造成巨大的損失。隨著科技的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為人們提供了對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)判預(yù)警，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供了較好的保護(hù)。同時(shí)也對(duì)生態(tài)環(huán)境、氣象、農(nóng)業(yè)等方面進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

由于全球變暖等問題，自然災(zāi)害越來越嚴(yán)重，為了預(yù)警并保護(hù)這些受災(zāi)地區(qū)的人，Cholatip和Sathapath［11］設(shè)計(jì)一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為氣象站網(wǎng)絡(luò)，該設(shè)計(jì)利用決策樹技術(shù)分析天氣信息，并發(fā)布災(zāi)害警報(bào)，能提前使人們意識(shí)到危機(jī)做好防范。Yu等［12］提出了一種用于森林火災(zāi)實(shí)時(shí)探測(cè)的WSNs范例，相比于傳統(tǒng)的基于衛(wèi)星的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法相比，該方法更加快速。Lloret等［13］在常用的網(wǎng)絡(luò)中加入攝像機(jī)，目的是可以讓消防隊(duì)員證實(shí)火災(zāi)的存在，避免誤報(bào)。并且圖像信息會(huì)被上傳至互聯(lián)網(wǎng)，從世界任何地方都可以看到相機(jī)的圖像。Baggio［14］在馬鈴薯田里部署了一種對(duì)抗植物病害的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用868/916 MHz的微粒測(cè)量溫濕度用以揭示作物何時(shí)處于危險(xiǎn)之中，并讓農(nóng)民只在植物真正需要處理的時(shí)候進(jìn)行處理。WSN用于精密灌溉亦降低了成本，提高了生產(chǎn)力，同時(shí)做到了節(jié)約用水［15］。

4.2工業(yè)環(huán)境

在工業(yè)生產(chǎn)中，工廠的違規(guī)排放造成了大量污染，因此國(guó)家愈加重視廢水廢氣的監(jiān)測(cè)，并嚴(yán)格要求工廠的排放需達(dá)到規(guī)定指標(biāo)，吳麗琴［16］針對(duì)高水耗企業(yè)水務(wù)管理落后的現(xiàn)狀提出了面向企業(yè)的水務(wù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為企業(yè)年節(jié)水16％符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。盛平等［17］為污水處理廠設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)，為其污水處理量增加了5.2%。龔發(fā)根等［18］提出了應(yīng)用于工業(yè)廢氣監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)環(huán)境空氣中廢氣含量，可以實(shí)現(xiàn)較好的控制與監(jiān)督。

亦有許多具有較高危險(xiǎn)性的地帶無法進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)滿足監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性和全面性的要求，發(fā)揮了較好的作用。比如，煤礦挖掘、石油鉆井、核電廠等。張永超［19］設(shè)計(jì)了一種基于FDSI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤礦甲烷氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以預(yù)警工人及時(shí)疏通避免瓦斯爆炸對(duì)工人的生命安全造成威脅。黃思月［20］設(shè)計(jì)了石油鉆井設(shè)備檢測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤建井過程、預(yù)報(bào)井下故障，大大降低了風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。監(jiān)測(cè)工業(yè)建筑的安全也時(shí)常使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，比如橋梁，鐵塔等。其中包括英國(guó)亨伯大橋［21］、美國(guó)金門大橋［22］等。國(guó)內(nèi)亦有對(duì)武漢長(zhǎng)江二橋［23］等地進(jìn)行監(jiān)測(cè)并取得較好的效果。王兆文［24］對(duì)通信鐵塔狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包括鐵塔的震動(dòng)與傾斜，預(yù)防因風(fēng)吹日曬使鐵塔倒塌而對(duì)鐵塔周圍的安全產(chǎn)生威脅。

5結(jié)束語(yǔ)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)容豐富，想要將其運(yùn)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中還需要多方面的優(yōu)化，在傳感器方面，還需要制造合適、更精確的傳感器硬件設(shè)備，比如海水等環(huán)境下的傳感器應(yīng)更耐腐蝕，更能承受環(huán)境帶來的損耗，優(yōu)化硬件電路以避免電路失效帶來的故障。設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)定位算法和覆蓋率更高的部署方式，探究更低能耗的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式及路由算法，以及在隨著5G浪潮的來臨，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有望獲得更高的通信速率，低至毫秒級(jí)別的延時(shí)和更高的安全性。雖然5G通信的單跳距離較近，但結(jié)合NB-IoT等技術(shù)，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。如何更好地將無線傳感器的作用發(fā)揮在環(huán)境監(jiān)測(cè)中依舊需要學(xué)者不懈探索。

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